CN107272100A - 可产生暗环的圆环达曼光栅 - Google Patents

可产生暗环的圆环达曼光栅 Download PDF

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Abstract

一种可产生暗环的圆环达曼光栅，该圆环达曼光栅所形成的相位延迟分布按照同心环区从圆心由内到外不同环区依次为0、π交替相位延迟；所述的圆环达曼光栅沿径向坐标具有周期性，且每个周期内的归一化相位突变点即归一化相位转折点满足关系：后半周期归一化相位转折点由前半周期归一化相位转折点加上0.5得到。该圆环达曼光栅其傅立叶变换面上强度分布为环形光斑分布，且所在的环形光斑环区中心处亮度为暗环。这种暗环光场分布可应用于粒子和细胞光学操控等应用场合。

Description

可产生暗环的圆环达曼光栅
技术领域
本发明涉及圆环达曼光栅，特别是一种可产生暗环的圆环达曼光栅。
背景技术
圆环达曼光栅最早是Zhou等人[Opt.Lett.28,2174(2003)]于2003年首次提出，随后经过Zhao、Wen等人[Opt.Lett.31,2387(2006)，J.Opt.A 10,075306(2008)]的进一步发展。圆环达曼光栅已经广泛应用于光学测量与检测、光学图像编码、结构光泵浦激光器等方面。传统圆环达曼光栅一般产生多个等强度亮环，即每个级次对应的圆环都是一个亮环伴有较弱的旁瓣。
本发明提出一种可以产生暗环的圆环达曼光栅，即每个级次产生的圆环是一个环的中心区域为暗场的暗环。这种可产生强度分布为暗环的圆环达曼光栅可应用于光学操控，尤其是用于捕获粒子所处的环境折射率大于粒子自身折射率情况。
发明内容
本发明提出一种可以产生强度分布为暗环的圆环达曼光栅，可以在其傅立叶变换面上产生强度分布为暗环的环形光斑，因而在光学操控方面具有重要的应用价值，尤其是用于粒子所处的环境折射率大于粒子自身折射率情况下的粒子捕获。
本发明的技术解决方案如下：
一种可产生暗环的圆环达曼光栅，其特点在于该圆环达曼光栅为透射式面浮雕型圆环达曼光栅，以熔石英为基底材料，通过光刻和干法刻蚀工艺在熔石英基底上直接刻蚀出二值面浮雕型同心环区微结构，其相邻环区的台阶深度差满足公式：
其中，λ为对应的工作波长；n为基底材料对应工作波长的折射率。
一种可产生暗环的圆环达曼光栅，其特点在于该圆环达曼光栅为反射式面浮雕型圆环达曼光栅，以熔石英为基底材料，通过光刻和干法刻蚀工艺在熔石英基底上直接刻蚀出二值面浮雕型同心环区微结构，其相邻环区的台阶深度差满足公式：
其中，λ为对应的工作波长；在所得到的二值面浮雕同心环区微结构表面再镀有一层金膜反射层。
该圆环达曼光栅形成的相位延迟分布按照同心环区从圆心由内到外不同环区依次为0、π交替相位延迟；所述的圆环达曼光栅沿径向坐标具有周期性，且每个周期内的归一化相位突变点即归一化相位转折点满足关系：后半周期归一化相位转折点由前半周期归一化相位转折点加上0.5得到，即一个周期内所有的归一化相位转折点可以表示为{rm,0.5,rm+0.5}，其中rm为前半周期的归一化相位转折点，m为正整数。
所述的圆环达曼光栅的前半周期归一化相位转折点依次为{0.0118,0.1371}；对应的一个周期内的所有相位转折点依次为{0.0118,0.1371,0.5,0.5118,0.6371}。
本发明的技术效果如下：
本发明圆环达曼光栅，可以在其傅立叶变换面上产生强度分布为暗环的环形光斑分布。
附图说明
图1是本发明可产生暗环的圆环达曼光栅实施例1，一个周期内转折环分布示意图。
图2是本发明可产生暗环的圆环达曼光栅实施例2，10周期产生暗环的圆环达曼光栅的相位分布。其中，黑色表示零相位，白色表示π相位。
图3是可产生暗环圆环达曼光栅的傅立叶变换面上的强度分布数值模拟结果。
图4是可产生暗环圆环达曼光栅其傅立叶变换面上的强度分布实验测量结果。
图5是可产生暗环圆环达曼光栅其傅立叶变换面上的一维强度分布曲线。
具体实施方式
本发明可产生暗环的圆环达曼光栅，为透射式面浮雕型圆环达曼光栅，以熔石英为基底材料，通过光刻和干法刻蚀工艺在熔石英基底上直接刻蚀出二值面浮雕型同心环区微结构，其相邻环区的台阶深度差满足公式：
其中，λ为对应的工作波长；n为基底材料对应工作波长的折射率。
一种可产生暗环的圆环达曼光栅，为反射式面浮雕型圆环达曼光栅，以熔石英为基底材料，通过光刻和干法刻蚀工艺在熔石英基底上直接刻蚀出二值面浮雕型同心环区微结构，其相邻环区的台阶深度差满足公式：
其中，λ为对应的工作波长；在所得到的二值面浮雕同心环区微结构表面再镀有一层金膜反射层。
请参阅图1，本发明可产生暗环的圆环达曼光栅一个周期内相位分布按照同心环区从内到外依次为0、π交替相位分布。图中黑色表示0相位，白色表示π相位。一个周期内的透过率函数可以表示为：
其中，r归一化入射光瞳平面上的径向坐标，{rm}为一个周期内归一化相位转折点，M为归一化相位转折点的总数。所述的圆环达曼光栅的一个周期内的归一化半径满足：后半周期归一化半径由前半周期归一化半径加上0.5得到。
请参阅图2，该圆环达曼光栅实施例2在径向坐标上具有周期性，图2表示一个10周期的圆环达曼光栅。则在其傅立叶变换面上所产生暗环的半径为：
其中，f为透镜的焦距；λ为工作波长；Λ为圆环达曼光栅径向周期；D为圆环达曼光栅的通光孔径；N为通光孔径内的周期数。
以下以工作波长633纳米为例，设计一个可产生暗环的透射式圆环达曼光栅。所述的圆环达曼光栅一个周期内的归一化半径由内到外依次为{0.0118,0.1371,0.5,0.5118,0.6371}。所采用的透镜的焦距为600mm，入射到圆环达曼光栅上的光斑大小约为6mm。圆环达曼光栅径向上周期设为600微米，则一个周期内的相位转折点依次为7.08，82.26，300.0，307.08，382.26，600微米。其对应的特征线宽约为7微米，这通过成熟的光刻工艺来加工完成。以熔石英为基底，其633纳米对应的折射率约为1.456，对应的圆环达曼光栅的刻蚀深度约为d＝694纳米。图3给出了数值模拟的该圆环达曼光栅在傅立叶变换面上所产生暗环的强度分布。从中我们可以清楚地看出，我们得到了一个环形光斑分布，其中环的中心环区为强度为暗场的环形光斑即暗环。图4给出了我们实验得到的暗环光场强度分布。图5给出了所产生暗环的一维强度分布的理论模拟和实验结果对比，从中可以看到，所设计的圆环达曼光栅实现预期的光场分布，且所产生暗环的环半径约为873微米。
以上所述可产生暗环的圆环达曼光栅仅表达了本发明的一种具体实施例，并不能因此而理解为对本发明保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本思想的前提下，还可以对本发明所提出的具体实施细节做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
综上所述，本发明可产生暗环的圆环达曼光栅，可广泛应用于细胞和粒子的光学操控等领域。

Claims (2)

1.一种可产生暗环的圆环达曼光栅，其特征在于该圆环达曼光栅为透射式面浮雕型圆环达曼光栅，以熔石英为基底材料，通过光刻和干法刻蚀工艺在熔石英基底上直接刻蚀出二值面浮雕型同心环区微结构，其浮雕型同心环区的半径沿径向坐标具有周期性，且一个周期内的归一化半径依次为0.0118,0.1371,0.5,0.5118,0.6371；相邻环区的台阶深度差满足公式：
<mrow> <mi>d</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>&amp;lambda;</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>
其中，λ为对应的工作波长；n为基底材料对应工作波长的折射率。
2.一种可产生暗环的圆环达曼光栅，其特征在于该圆环达曼光栅为反射式面浮雕型圆环达曼光栅，以熔石英为基底材料，通过光刻和干法刻蚀工艺在熔石英基底上直接刻蚀出二值面浮雕型同心环区微结构，其浮雕型同心环区半径沿径向坐标具有周期性，且一个周期内的归一化半径依次为0.0118,0.1371,0.5,0.5118,0.6371；相邻环区的台阶深度差满足公式：
<mrow> <mi>d</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>&amp;lambda;</mi> <mn>4</mn> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>
其中，λ为对应的工作波长；在所得到的二值面浮雕同心环区微结构表面再镀有一层金膜反射层。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113671692A (zh) * 2021-08-27 2021-11-19 北京润和微光科技有限公司 一种平顶光斑整形元件制备方法、元件和激光加工设备

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1424595A (zh) * 2002-12-20 2003-06-18 中国科学院上海光学精密机械研究所 对称型色分离光栅
CN102230985A (zh) * 2011-07-06 2011-11-02 中国科学院上海光学精密机械研究所 用于高数值孔径物镜的圆环达曼光栅
CN102495472A (zh) * 2011-11-29 2012-06-13 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于圆环达曼光栅的贝塞尔光束产生器
CN102565903A (zh) * 2012-01-11 2012-07-11 中国科学院上海光学精密机械研究所 随机达曼光栅的制备方法
CN104914492A (zh) * 2015-05-13 2015-09-16 中国科学院上海光学精密机械研究所 可调贝塞尔光束产生装置及其高阶圆环达曼光栅的设计方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1424595A (zh) * 2002-12-20 2003-06-18 中国科学院上海光学精密机械研究所 对称型色分离光栅
CN102230985A (zh) * 2011-07-06 2011-11-02 中国科学院上海光学精密机械研究所 用于高数值孔径物镜的圆环达曼光栅
CN102495472A (zh) * 2011-11-29 2012-06-13 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于圆环达曼光栅的贝塞尔光束产生器
CN102565903A (zh) * 2012-01-11 2012-07-11 中国科学院上海光学精密机械研究所 随机达曼光栅的制备方法
CN104914492A (zh) * 2015-05-13 2015-09-16 中国科学院上海光学精密机械研究所 可调贝塞尔光束产生装置及其高阶圆环达曼光栅的设计方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113671692A (zh) * 2021-08-27 2021-11-19 北京润和微光科技有限公司 一种平顶光斑整形元件制备方法、元件和激光加工设备

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